WO2004013472A1 - Brennkraftmaschine mit abgasturboladern - Google Patents

Brennkraftmaschine mit abgasturboladern Download PDF

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WO2004013472A1
WO2004013472A1 PCT/EP2003/007953 EP0307953W WO2004013472A1 WO 2004013472 A1 WO2004013472 A1 WO 2004013472A1 EP 0307953 W EP0307953 W EP 0307953W WO 2004013472 A1 WO2004013472 A1 WO 2004013472A1
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exhaust gas
internal combustion
combustion engine
gas turbocharger
turbochargers
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Hermann Baumann
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/007—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in parallel, e.g. at least one pump supplying alternatively
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F01N13/107—More than one exhaust manifold or exhaust collector
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with exhaust gas turbochargers according to the preamble of claim 1.
  • Exhaust gas turbochargers are known to be used in internal combustion engines to increase performance.
  • DE 195 24 566 Cl shows an internal combustion engine with exhaust gas turbochargers which are arranged in a carrier housing. The turbines are located inside the carrier housing and the compressors are located outside the carrier housing. The turbines are supplied with exhaust gas in parallel via a common exhaust gas supply. After the exhaust gas has flowed through the turbines, it is collected in a collecting pipe - a downpipe is shown. The arrangement is chosen so that the exhaust gas from opposing turbines is brought together. This results in a large overall length of the header pipe.
  • the external dimensions of the carrier housing result from the number of exhaust gas turbochargers used, their size and the exhaust gas supply or the manifold.
  • the carrier housing with the inlets and outlets is attached to the top of the internal combustion engine.
  • This increases the installation space requirement of the internal combustion engine.
  • an increase in the space requirement is problematic.
  • the invention is based on the object of designing an internal combustion engine with first and second exhaust gas turbochargers, which are arranged in a carrier housing, with compact external dimensions.
  • the invention provides that the two exhaust gas turbochargers are arranged in such a way that the two supercharger axes are at an angle between 55 to 100 degrees to one another and lie in the same plane.
  • the plane extends parallel to the top of the internal combustion engine.
  • the arrangement brings about a low swirling merging of the exhaust gas volumes of the two exhaust gas lines after the two exhaust gas turbochargers. Another advantage is a shorter manifold compared to the prior art.
  • the air supply of uncompressed air to the two exhaust gas turbochargers is arranged on the outside above the cylinder heads.
  • a filter can be installed upstream of the air supply in the direction of the opposite side of the force.
  • the arrangement of the air inlets reduces the installation space requirement, i. H. the internal combustion engine with the exhaust gas turbochargers has more compact external dimensions.
  • a third exhaust gas turbocharger is arranged within the carrier housing, the supercharger axis of which likewise lies in the same plane and within the above-mentioned angular range.
  • the exhaust gas from this centrally located exhaust gas turbocharger is fed into the common manifold.
  • the exhaust lines for the first and second exhaust gas turbochargers are preferably with an exhaust flap for register switching Mistake.
  • the air supply to the third exhaust gas turbocharger takes place via a branch from the air supply lines to the first or second exhaust gas turbocharger. By arranging the branch downstream of the filter, the third exhaust gas turbocharger does not need its own filter. This also reduces the installation space.
  • the charge air compressed by the exhaust gas turbochargers is combined in a charge air guide, which is arranged in the center of the cylinder V.
  • Figure 1 shows an internal combustion engine with a first and second exhaust gas turbocharger
  • Figure 2 shows an internal combustion engine with three exhaust gas turbochargers.
  • Figure 1 shows an internal combustion engine 1 with a first exhaust gas turbocharger 2 and a second exhaust gas turbocharger 8 with a view of the top.
  • the functionality of exhaust gas turbochargers is assumed to be known in the following.
  • the first exhaust gas turbocharger 2 comprises a compressor wheel 3 and a turbine wheel 4 coupled by means of a shaft.
  • the axis of rotation of the compressor wheel 3 and turbine wheel 4 is designated in FIG. 1 as the supercharger axis AI.
  • Uncompressed air Lzu is conveyed from the compressor wheel 3 into a charge air guide 11 via an air supply 6 with an upstream filter 5. The direction of flow is indicated by arrows.
  • the air supply 6 of uncompressed air to the first exhaust gas bolader 2 is arranged above the cylinder heads 14.
  • Exhaust gas is supplied to the turbine wheel 4 of the first exhaust gas turbocharger 2 via an exhaust gas supply 7. After it has flowed through the turbine wheel 4 centripedally, it is guided into a collecting tube 13.
  • the second exhaust gas turbocharger 8 comprises a compressor wheel 9 and a turbine wheel 10.
  • the axis of rotation of the second exhaust gas turbocharger 8 is designated as the supercharger axis A2 in FIG.
  • Uncompressed air Lzu is supplied to the compressor wheel 9 via an air supply 16 with an upstream filter 15.
  • the air supply 16 of uncompressed air to the second exhaust gas turbocharger 8 is arranged above the cylinder heads 14.
  • the compressor wheel 9 conveys the air into the charge air guide 11.
  • the turbine 10 becomes the exhaust gas via an exhaust gas supply 17
  • the two exhaust gas turbochargers 2 and 8 are arranged in a carrier housing 12. Here, their turbines 4 and 10 are arranged inside the carrier housing 12 and the compressor wheels 3 and 9 are arranged outside the carrier housing 12.
  • the collecting tube 13 is likewise arranged within the carrier housing 12.
  • One of the two exhaust gas turbochargers can be provided with an exhaust flap for charging the register.
  • a central exhaust gas outlet 22 connects to the header pipe 13, as seen in the plane of the drawing, to the left.
  • the first 2 and second exhaust gas turbocharger 10 are arranged in the carrier housing 12 in such a way that the two supercharger axes AI and A2 are at an angle between 55 to 100 degrees to one another and lie in the same plane E. The angle is designated by Phi in FIG. 1.
  • the arrangement results in a turbulence-free e Merging the two exhaust gas flows with a short overall length of the header pipe 13.
  • FIG. 2 shows an internal combustion engine 1 in which a third exhaust gas turbocharger 18 is additionally arranged within the carrier housing 12.
  • the supercharger axis of the third exhaust gas turbocharger 18 lies in the same plane E as the supercharger axes AI and A2 of the first 2 and second exhaust gas turbocharger 8.
  • the supercharger axis of the third exhaust gas turbocharger 18 divides the angle Phi into two equal angular ranges, for example 50 degrees.
  • the compressor wheel 19 of the third exhaust gas turbocharger 8 is supplied with compressed air via a branch 21 from the air supply 6 and the air supply 16.
  • the third exhaust gas turbocharger 18 is additionally arranged within the carrier housing 12.
  • the supercharger axis of the third exhaust gas turbocharger 18 lies in the same plane E as the supercharger axes AI and A2 of the first 2 and second exhaust gas turbocharger 8.
  • the supercharger axis of the third exhaust gas turbocharger 18 divides the angle Phi into two equal angular ranges, for example 50 degrees
  • Exhaust gas turbocharger 18 turbine wheel 20 exhaust gas flowing through is introduced into the manifold 13.
  • the charge air conveyed by the compressor wheel 19 is fed to the common charge air guide 11. This is arranged in the center of the cylinder V.
  • the arrangement of the exhaust gas turbocharger results in a smaller carrier housing compared to the prior art;
  • the arrangement of the air feeds of non-compressed air above the cylinder heads results in a higher packing density and a smaller external dimension of the internal combustion engine;
  • Internal combustion engines within the same series can have a 2-charger or 3-charger arrangement with less difference in parts.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem ersten (2) und einem zweiten Abgasturbolader (8), welche in einem gemeinsamen Trägergehäuse (12) angeordnet sind, wird vorgeschlagen, dass die beiden Abgasturbolader (2, 8) in der Art angeordnet werden, dass die beiden Laderachsen (A1, A2) in einem Winkelbereich von 55 bis 100 Grad (Phi) zueinander stehen und in der gleichen Ebene (E) liegen. Durch die Erfindung wird eine verwirbelungsarme Zusammenführung der beiden Abgasströme bei kurzer Baulänge des Sammelrohrs (13) sowie ein kompaktes Aussenmass der Brennkraftmaschine (1) erzielt.

Description

Brennkraftmaschine mit Äbgasturboladern
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgastur- boladern nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei Brennkraftmaschinen werden Abgasturbolader bekanntermaßen zur Leistungssteigerung verwendet. Die DE 195 24 566 Cl zeigt eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboladern, welche in einem Trägergehäuse angeordnet sind. Hierbei befinden sich die Turbinen innerhalb des Trägergehäuses und die Verdichter außerhalb des Trägergehäuses. Über eine gemeinsame Abgas-Zuführung werden die Turbinen parallel mit Abgas beaufschlagt. Nachdem das Abgas die Turbinen durchströmt hat wird dieses in einem Sammelrohr - dargestellt ist ein Hosenrohr - zusam engefasst . Die Anordnung ist hierbei so gewählt, dass das Abgas von sich gegenüberliegenden Turbinen zusammengeführt wird. Hieraus resultiert eine große Baulänge des Sammelrohrs. Die Außenmaße des Trägergehäuses ergeben sich aus der Anzahl der verwende- ten Abgasturbolader, deren Größe und der Abgas-Zuführung bzw. dem Sammelrohr.
In der Praxis wird das Trägergehäuse mit den Zu- und Abführungen auf der Oberseite der Brennkraftmaschine angebaut. Hierdurch vergrößert sich der Bauraum-Bedarf der Brennkraftmaschine. Bei Schiffen und militärischen Fahrzeugen ist eine Zunahme des Bauraum-Bedarfs problematisch. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Brennkraftmaschine mit einem ersten und zweiten Abgasturbolader, welche in einem Trägergehäuse angeordnet sind, mit kompakten Außenmaßen zu entwerfen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. In den TJnteransprüchen sind die Ausgestaltungen dargestellt .
Die Erfindung sieht vor, dass die beiden Abgasturbolader in der Art angeordnet werden, dass die beiden Laderachsen in einem Winkelbereich zwischen 55 bis 100 Grad zueinander stehen und in der gleichen Ebene liegen. Die Ebene erstreckt sich hierbei parallel zur Oberseite der Brennkraftmaschine. Die Anordnung bewirkt eine verwirbelungsarme Zusammenführung der Abgas-Volumina der beiden Abgasstränge nach den beiden Abgasturboladern. Als weiterer Vorteil ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik ein kürzeres Sammelrohr.
Die Luft-Zuführungen von unverdichteter Luft zu den beiden Abgasturboladern ist über den Zylinderköpfen außenliegend angeordnet. Zusätzlich kann in Richtung der Kraftgegenseite ein Filter den Luft-Zuführungen vorgeschaltet werden. Über die Anordnung der Luft-Zuführungen verringert sich der Bauraum- Bedarf, d. h. die Brennkraftmaschine mit den Abgasturboladern besitzt kompaktere Außenmaße.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass innerhalb des Trägergehäuses ein dritter Abgasturbolader angeordnet wird, wobei dessen Laderachse ebenfalls in der glei- chen Ebene und innerhalb des oben genannten Winkelbereichs liegt. Das Abgas dieses mittig angeordneten Abgasturboladers wird in das gemeinsame Sammelrohr geführt. Bei dieser Variante sind die Abgasstränge für den ersten und zweiten Abgasturbolader bevorzugt mit einer Abgasklappe zur Registerschaltung versehen. Die Luft-Zuführung zum dritten Abgasturbolader erfolgt über einen Abzweig aus den Luft-Zuführungen zu dem ersten bzw. zweiten Abgasturbolader. Indem der Abzweig jeweils stromab des Filters angeordnet wird, benötigt der dritte Ab- gasturbolader kein eigenes Filter. Hierdurch wird ebenfalls der Bauraum reduziert.
Die von den Abgasturboladern verdichtete Ladeluft wird in einer Ladeluft-Führung zusam engefasst, welche mittig im Zylin- der-V angeordnet wird.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei identische Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:
Figur 1 eine Brennkraftmaschine mit einem ersten und zweiten Abgasturbolader;
Figur 2 eine Brennkraftmaschine mit drei Abgasturbola- dem.
Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem ersten Abgasturbolader 2 und einem zweiten Abgasturbolader 8 mit Sicht auf die Oberseite. Die Funktionalität von Abgasturboladern wird im folgenden als bekannt vorausgesetzt.
Der erste Abgasturbolader 2 umfasst ein Verdichterrad 3 und ein mittels einer Welle gekoppeltes Turbinenrad 4. Die Rotationsachse des Verdichterrads 3 und Turbinenrads 4 ist in Fi- gur 1 als Laderachse AI bezeichnet. Über eine Luft-Zuführung 6 mit vorgeschaltetem Filter 5 wird unverdichtete Luft Lzu vom Verdichterrad 3 in eine Ladeluft-Führung 11 gefördert. Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile gekennzeichnet. Die Luft-Zuführung 6 von unverdichteter Luft zum ersten Abgastur- bolader 2 ist oberhalb der Zylinderköpfe 14 angeordnet. Über eine Abgas-Zuführung 7 wird dem Turbinenrad 4 des ersten Abgasturboladers 2 Abgas zugeführt. Nachdem dieses das Turbinenrad 4 zentripedal durchströmt hat, wird es in ein Sammel- röhr 13 geführt.
Der zweite Abgasturbolader 8 umfasst ein Verdichterrad 9 und ein Turbinenrad 10. Die Rotationsachse des zweiten Abgasturboladers 8 ist in Figur 1 als Laderachse A2 bezeichnet. Über eine Luft-Zuführung 16 mit vorgeschaltetem Filter 15 wird dem Verdichterrad 9 unverdichtete Luft Lzu zugeführt. Die Luft- Zuführung 16 von unverdichteter Luft zum zweiten Abgasturbolader 8 ist oberhalb der Zylinderköpfe 14 angeordnet. Das Verdichterrad 9 fördert die Luft in die Ladeluft-Führung 11. Über eine Abgas-Zuführung 17 wird der Turbine 10 Abgas der
Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Nachdem das Abgas die Turbine 10 zentripedal durchströmt hat, wird es zusammen mit dem Abgas des ersten Abgasturboladers 2 im Sammelrohr 13 zusammengeführt .
Die beiden Abgasturbolader 2 und 8 sind in einem Trägergehäuse 12 angeordnet. Hierbei sind deren Turbinen 4 und 10 innerhalb des Trägergehäuses 12 und die Verdichterräder 3 und 9 außerhalb des Trägergehäuses 12 angeordnet . Innerhalb des Trägergehäuses 12 ist ebenfalls das Sammelrohr 13 angeordnet. Einer der beiden Abgasturbolader kann mit einer Abgasklappe zur Registeraufladung versehen sein. An das Sammelrohr 13 schließt sich - in Zeichnungsebene gesehen - nach links eine zentrale Abgas-Abführung 22 an. Der erste 2 und zweite Abgas- turbolader 10 sind im Trägergehäuse 12 in der Art angeordnet, dass die beiden Laderachsen AI und A2 in einem Winkelbereich zwischen 55 bis 100 Grad zueinander stehen und in der gleichen Ebene E liegen. Der Winkel ist in Figur 1 mit Phi bezeichnet. Aus der Anordnung ergibt sich eine verwirbelungsar- e Zusammenführung der beiden Abgasströme bei gleichzeitig kurzer Baulänge des Sammelrohrs 13.
Aus der Figur 1 wird ersichtlich, dass die Laderachsen AI und A2 , die Abgas-Abführung 22 und die Luft-Zuführungen 6 und 16 in gleichen Ebenen liegen. Diese erstrecken sich parallel zur Oberseite der Brennkraftmaschine 1. Durch die Anordnung wird eine hohe Packungsdichte und somit ein kompakteres Außenmaß der Brennkraftmaschine 1 erzielt.
Figur 2 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 bei der innerhalb des Trägergehäuses 12 zusätzlich ein dritter Abgasturbolader 18 angeordnet wird. Die Laderachse des dritten Abgasturboladers 18 liegt in der gleichen Ebene E wie die Laderachsen AI und A2 des ersten 2 und zweiten Abgasturboladers 8. Die Laderachse des dritten Abgasturboladers 18 teilt den Winkel Phi in zwei gleiche Winkelbereiche, also beispielsweise 50 Grad. Dem Verdichterrad 19 des dritten Abgasturboladers 8 wird über einen Abzweig 21 aus der Luft-Zuführung 6 und der Luft- Zuführung 16 unverdichtete Luft zugeführt. Das den dritten
Abgasturbolader 18 (Turbinenrad 20) durchströmende Abgas wird in das Sammelrohr 13 eingeleitet. Die vom Verdichterrad 19 geförderte Ladeluft wird der gemeinsamen Ladeluft-Führung 11 zugeführt. Diese ist mittig im Zylinder-V angeordnet.
Für die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
- aus der innerhalb des Winkelbereichs und in der gleichen Ebene liegenden Anordnung der Abgasturbolader resultiert eine verwirbelungsarme Zusammenführung der Abgas-Volumina nach den beiden Abgasturboladern bei gleichzeitig kurzem Sammelrohr;
- aus der Anordnung der Abgasturbolader resultiert ein gegenüber dem Stand der Technik kleineres Trägergehäuse; durch die Anordnung der Luft-Zuführungen von unverdichte- ter Luft oberhalb der Zylinderköpfe ergibt sich eine höhere Packungsdichte und geringeres Außenmaß der Brennkraftmaschine;
Brennkraftmaschinen innerhalb der gleichen Baureihe können bei geringerem Teile-Unterschied eine 2-Lader- oder 3- Lader-Anordnung aufweisen.
Bezugszeichen
Brennkraftmaschine erster Abgasturbolader Verdichterrad Turbinenrad Filter Luft-Zuführung Abgas-Zuführung zweiter Abgasturbolader Verdichterrad Turbinenrad Ladeluft-Führung Trägergehäuse Sammelrohr Zylinderkopf Filter Luft-Zuführung Abgas-Zuführung dritter Abgasturbolader Verdichterrad Turbinenrad Abzweig Abgas-Abführung

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine (1) mit einem ersten (2) und zweiten Abgasturbolader (8) zur Aufladung der Brennkraftmaschine (1) , wobei jeder Abgasturbolader (2, 8) ein Verdichterrad (3, 9) und Turbinenrad (4, 10) umfasst, welche um eine gemeinsame Laderachse (AI, A2 ) rotieren, mit einer Abgas-Zuführung (7, 17) zum ersten (2) und zweiten Abgasturbolader (8), wobei beide Abgasturbolader (2, 8) parallel vom Abgas durchströmt werden, mit einem Trägergehäuse (12) zur Aufnahme der beiden Abgasturbolader (2, 8) sowie einem Sammelrohr (13) zur 'Zusammenführung der Abgasströme nach den beiden Abgasturboladern (2, 8) und mit einer gemeinsamen Abgas-Abführung (22), dadurch g e k e n n z e i c hn e t , dass die beiden Abgasturbolader (2, 8) in der Art angeordnet werden, dass die beiden Laderachsen (AI, A2) in einem Winkelbereich zwischen 55 bis 100 Grad (Phi) zueinander stehen und in der gleichen Ebene (E) liegen.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ebene (E) sich parallel zur Oberseite der Brennkraftmaschine (1) erstreckt.
3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgas-Abführung (22) ebenfalls in der Ebene (E) angeordnet wird.
4. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Luft-Zuführung (6, 16) zur Zuführung von unverdichteter Luft zu den beiden Abgasturboladern (2, 8) oberhalb der Zylinderköpfe (14) ange- ordnet wird.
5. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass vor die Luft-Zuführung (6, 16) in Richtung der Kraftgegenseite ein Filter (5, 15) vorgeschaltet wird.
6. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass im Sammelrohr (13) eine Abgasklappe zur Deaktivierung eines Abgasturboladers (2, 8) angeordnet wird.
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass im Trägergehäuse (12) ein dritter Abgasturbolader (18) angeordnet wird.
8. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der dritte Lader (18) in der Art angeordnet wird, dass dessen Laderachse in der Ebene (E) und innerhalb des Winkelbereichs (Phi) liegt.
9. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4 und Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Luft- Zuführungen (6, 16) ein Abzweig (21) zur Zufuhr von unverdichteter Luft zum dritten Abgasturbolader (18) angeordnet wird.
10. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass im Sammelrohr (13) zwei Abgasklappen zur Deaktivierung des ersten (2) und zweiten Abgasturboladers (8) angeordnet werden.
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